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BACUNAYAGUA: APUNTES DESDE LAS ALTURAS
Por:
Serguey Figueredo Sosa, Raydel Lorenzo Reinaldo y Yudiel Gámez Breto
Fotos:
Cortesía de INVESCONS
El puente Bacunayagua salva un profundo obstáculo natural de más de
110 m enlazando, mediante la Vía Blanca, las provincias de La
Habana y Matanzas. Su construcción, dirigida por el Ing. Manuel
Arvesú, se inició en 1956 y fue inaugurado el 26 de septiembre de
1959. Esta colosal obra fue fruto del ingenio de un grupo de
talentosos ingenieros cubanos dirigidos por Luis Sáenz Duplace,
entre los que se encontraban Ignacio Martín, Ángel Herrera, Narciso
Padillo, además del célebre José "Pimpo" Hernández, quien a la sazón
era estudiante del tercer año de Ingeniería Civil.
La estructura está formada por 11 luces de 28,5 m cada una,
para una longitud total de 315,5 m. Las columnas tienen una
sección transversal de 1x1,6 m y alcanzan alturas entre 11,3
m y 41 m por lo que la esbeltez geométrica de esta
última es igual a 41, aspecto muy relevante si se tiene en cuenta
que las expresiones que permitieron semejante osadía fueron
desarrolladas por el propio Sáenz y posteriormente adoptadas por el
American Concrete Institute (ACI). Los arcos salvan el equivalente a
cuatro luces, unos 114 m, constituyendo la mayor luz libre
del país. Con una flecha de 47 m, su geometría se obtuvo a
partir del antifunicular de las cargas permanentes.
Según "Pimpo" Hernández, el Bacunayagua se diseñó para soportar el
tráfico de vehículos H-20 S-20 de 33 t establecidos en la
American Association of State Highway Oficials (AASHO), vigente en
la época, y una presión del viento de 250 kg/m2.
Al cumplir los primeros 15 años fue necesaria la sustitución de las
66 vigas que conforman el tablero del puente pues presentaban graves
problemas de corrosión en los cables pretensados, los trabajos
fueron dirigidos por el Ing. Raúl Rogés Fábregas, quien en esa época
solo contaba con 26 años de edad.
Objetivos de la investigación
Casi al cumplir 50 años y ante el nivel de deterioro que presenta el
resto de la estructura se decide realizar un estudio para determinar
las principales patologías y sus causas, evaluar el comportamiento y
la seguridad estructural a partir de los deterioros existentes, así
como establecer las estrategias para su reparación y estimar su vida
útil.
Los trabajos fueron contratados a la Oficina de Consultoría y Diseño
de la Empresa Nacional de Investigaciones Aplicadas (INVESCONS), del
Ministerio de la Construcción, cuyos especialistas han realizado la
evaluación estructural de varias obras a lo largo y ancho del país,
entre las que se pueden destacar las Escuelas de Ballet y de Música
del Instituto Superior de Arte de Cubanacán, el puente "General
Sánchez Figueras" en Matanzas, entre otras. La investigación se
realiza bajo la dirección del Ing. Civil Serguey Figueredo Sosa y
cuenta además con los Ing. Raydel Lorenzo Reinaldo y Yudiel Gámez
Breto.
Debido a las características geométricas y lo accidentado de la
topografía del lugar, el problema fundamental a resolver consistía
en garantizar el acceso seguro de los especialistas a los diferentes
elementos estructurales objetos de estudio, en este caso cabezales,
columnas y arcos. Normalmente se emplean para este fin plataformas
de trabajo que generalmente son concebidas durante la realización
del proyecto y en su defecto plataformas móviles soportadas por
equipos especializados o sistemas de andamiaje fijados a la
estructura. Debido a la situación económica que vive el país, a lo
costoso de las opciones convencionales y a la necesidad de conocer
con prontitud el estado real del puente, los especialistas
propusieron la idea de realizar los trabajos empleando técnicas de
progresión vertical y alpinismo.
El alpinismo industrial es un complejo y agotador arte que permite a
los humanos acceder con seguridad a lugares de muy difícil acceso y
a espacios confinados mediante el empleo de diversos métodos,
técnicas y medios de seguridad.
El empleo de estos métodos y medios de seguridad requiere de
personal altamente especializado y con capacidad para el
adiestramiento de los ingenieros en el uso de estas técnicas y
equipamientos. En consecuencia se contrataron los servicios de un
grupo de alpinistas dirigidos por Franklin Castillo Cardoso y
compuesto además por Pavel Masa Franco y Osniel Cordero Urrea,
quienes han tenido a su cargo la selección del equipamiento
necesario, la instalación de las vías que permiten el acceso a la
estructura y el aseguramiento de todas las mediciones y ensayos.
Precisamente estas condiciones son las que hacen excepcional este
trabajo pues todos, alpinistas e ingenieros, han ejecutado las
actividades planificadas expuestos al más alto riesgo, suspendidos
de la estructuras a alturas considerables, donde las condiciones
ambientales son casi siempre muy desfavorables, manipulando
herramientas eléctricas y líneas con 220 V, y sobre todo,
realizando ensayos con instrumentos muy costosos y altamente
sensibles a cualquier golpe o vibración. Por todo esto es vital un
alto nivel de camaradería entre todos los miembros del equipo.
Enfoque metodológico
Si se tiene en cuenta la definición que sobre el diseño de
estructuras expresó el prestigioso ingeniero y profesor mexicano
Meli Piralla: "El diseño estructural es el arte de usar materiales
que en realidad no conocemos para formar estructuras que en realidad
no podemos analizar, de manera que resistan cargas que en realidad
no podemos evaluar, todo esto de modo tal que el público no se de
cuenta de nuestra ignorancia"
1. Se
puede entender por qué los trabajos de diagnóstico y evaluación de
estructuras existentes constituyen uno de los más complejos a los
que se enfrentan los ingenieros, pues se requiere descubrir las
causas que dieron origen a las patologías para poder comprender e
interpretar el comportamiento de estructuras que fueron diseñadas a
partir de artificios físico-matemáticos y sobre las que pesa la
acción inexorable del tiempo.
Enfrentar investigaciones de esta naturaleza requiere de un enfoque
ingenieril que involucre diversas especialidades para abordar el
objeto de estudio de forma sistémica. Este se basa en el uso de
sofisticadas herramientas de simulación matemática para el análisis
de problemas concretos de ingeniería, empleados como parte
indispensable de una metodología que garantiza obtener los aspectos
fundamentales de la modelación matemática: geometría, cargas,
materiales y condiciones de apoyo. Con ese fin se realizan las
siguientes actividades:
Estudio de antecedentes históricos, de las tipologías y de las
técnicas constructivas empleadas.
Ejecución de levantamientos topográficos, arquitectónicos,
estructurales y patológicos, que permiten reproducir con un alto
grado de precisión la geometría del fenómeno estudiado y la
ubicación de los principales deterioros o indicios de fallo.
Clasificación y cuantificación de los daños.
Estudios de diagnóstico y caracterización físico mecánica de
materiales para establecer los parámetros de los modelos
constitutivos a emplear de manera que simule su comportamiento
real.
Implementación de sistemas de instrumentación para la medición
de variables y realización de pruebas de cargas a escala real y
a escala reducida para la calibración y validación de los
modelos numéricos.
Análisis y evaluación del fenómeno para definir las soluciones
de ingeniería con la implementación de modelos de vida útil.
Avance de la investigación
Hasta el momento se han concluido los levantamientos topográficos,
estructurales y patológicos y se han descrito, clasificado y
cuantificado los deterioros.
Una de las actividades más complejas es la caracterización de los
materiales que componen la estructura, para ello se requieren
realizar diferentes tipos de ensayos que se clasifican en
destructivos y no destructivos.
Los ensayos destructivos son aquellos que resultan invasivos para
las estructuras, como la extracción de testigos del hormigón que se
emplean para determinar la resistencia a compresión y el módulo de
deformación. También se toman muestras para pruebas en el
laboratorio con el objetivo conocer la concentración de iones
cloruros y su difusión, la profundidad de carbonatación, la
porosidad, la absorción, etc.
Los ensayos no destructivos no provocan afectaciones a la estructura
y se realizan con costosos instrumentos que permiten la medición de
parámetros físicos y electroquímicos.
En este caso se han empleado equipos de ultrasonido para medir la
velocidad de la onda ultrasónica. Con este parámetro pueden
detectarse oquedades, discontinuidades y grietas en el interior de
los elementos de hormigón así como correlacionar la velocidad con
parámetros mecánicos como la resistencia a compresión. También
permite obtener de forma directa el módulo de deformación y el
coeficiente de Poisson.
Los parámetros electroquímicos se obtienen por medio de
corrosímetros, con estos equipos pueden medirse los potenciales de
corrosión, la resistividad del hormigón, la intensidad y la
velocidad de corrosión. Con los datos obtenidos se trazan mapas para
clasificar de forma rápida las áreas de una estructura y al
combinarlos pueden determinarse con seguridad las zonas de mayor
corrosión. Además proporciona una medida cuantitativa de la cantidad
de acero que se está convirtiendo en oxido en el momento de la
medición y mediante la ecuación de Faraday se puede extrapolar la
velocidad a la pérdida directa de la sección del acero de refuerzo.
Toda la información obtenida se implementa en herramientas de
modelación matemática que permiten simular el comportamiento del
puente teniendo en cuenta los deterioros presentes en la estructura.
Se consideran las cargas que circulan diariamente, las establecidas
por la norma de puentes vigente (vehículos del tipo N-30 y NK-80) y
la propuesta de norma en fase de aprobación (vehículo del tipo
MS-32), además de las cargas ecológicas. Es importante destacar que
debido a la altura del puente, la esbeltez de las columnas excede
las especificadas por las normas de hormigón para utilizar los
métodos simplificados con los que cotidianamente se calculan las
estructuras, esto obliga a realizar un análisis de tipo no lineal
que tenga en cuenta las dos fuentes de este fenómeno, el material y
la geometría, para esto es necesario realizar un análisis paso a
paso y plantear las ecuaciones de equilibrio en el estado deformado
de la estructura, teniendo en cuenta la variación de la rigidez del
elemento en función del esfuerzo.
Un aspecto vital para el éxito del estudio es la instrumentación y
el monitoreo de la estructura, para ello se fijan sensores que miden
variables tales como temperatura, desplazamientos horizontales,
diferencia de tensiones, etc.
Esta fase culmina con la realización de una prueba de carga a escala
real, que no es más que aplicar una carga conocida en una posición
previamente determinada y medir el desplazamiento que esta provoca.
En condiciones normales se colocan sensores de desplazamientos en
elementos de referencia totalmente aislados de la estructura, pero
en el caso que nos ocupa este procedimiento no es aplicable debido a
las características del emplazamiento y en consecuencia se realiza
por medio de una nivelación de precisión que permite medir hasta la
décima del milímetro y estimar la centésima.
La nivelación se realiza en tres etapas, la primera que sirve de
referencia se realiza con el puente totalmente vacío, en la segunda
se miden los desplazamientos verticales con el puente cargado y
finalmente se vuelve a medir con el puente totalmente vacío. El
principal inconveniente radica en la necesidad de cerrar el puente
al tráfico durante la realización de la prueba.
Los resultados que se obtienen con este procedimiento permiten la
calibración de los modelos computacionales, pues se simula en el
ordenador la prueba de carga colocando las cargas del vehículo usado
en la misma posición y se calculan los desplazamientos. Se van
ajustando los parámetros de la modelación iterativamente hasta
lograr que los desplazamientos calculados sean similares a los
medidos. Una vez lograda la calibración se pueden considerar como
válidos los modelos.
Con los modelos ajustados se logra una gran eficiencia durante el
análisis estructural, pues se logra un gran acercamiento al
comportamiento real de la estructura y en consecuencia una
interpretación más fiable, es por ello que se está en mejores
condiciones para evaluar la seguridad de los elementos
estructurales, para esto se utiliza el enfoque de estados límites,
que permite revisar las secciones en condiciones de agotamiento y
servicio. Las normas de puentes exigen que además de la estructura
cumplir desde el punto de vista resistente y deformacional se cumpla
que el periodo de oscilación vertical de la estructura se encuentre
fuera del rango en que se produce el fenómeno de la resonancia.
Finalmente se está en condiciones de conocer como se comportaba el
puente al ser construido, como se comporta en la actualidad
considerando los resultados del estudio, cuan segura es la
estructura y que tiempo puede esperarse para la reparación sin que
se ponga en riesgo la estabilidad de la estructura.
1 R. Meli:
Diseño Estructural. Ed. Revolucionaria, La Habana, Cuba, p.582
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